Alle Lebewesen auf unserem Planeten unterliegen einem unausweichlichen und vorhersehbaren täglichen Wechsel in ihrer Umgebung: Aus dem Tag wird die Nacht. Dabei spielt es keine Rolle, ob sie in der Wüste, in den Bergen oder in tropischen Wäldern leben, oder ob sie vor einer Milliarde Jahren gelebt haben oder heute am Leben sind. Um mit diesem vorhersehbaren täglichen Wechsel von Licht und Dunkelheit zurechtzukommen, hat fast jeder lebende Organismus ein internes Zeitmesssystem, die sogenannte zirkadiane Uhr, entwickelt.
Jeder lebende Organismus verbringt seinen 24-Stunden-Tag damit:
- Beschaffung von Energie (Nahrung)
- Optimierung der Energienutzung, indem ein Teil für die Aufrechterhaltung der täglichen Funktionen verwendet und der Rest für eine spätere Verwendung gespeichert wird
- sich vor schädlichen Einflüssen und Fressfeinden zu schützen, sich zu reparieren oder zu wachsen
- Fortpflanzung
Alle diese Funktionen werden von einer zirkadianen Uhr gesteuert, die die Fähigkeit eines jeden Organismus, diese Aufgaben zu erfüllen, optimiert, indem sie jeden dieser wesentlichen Aspekte des Lebens einer optimalen Tages- oder Nachtzeit zuordnet.
Pflanzen folgen einer etwa 24-stündigen zirkadianen Uhr, die Sonnenaufgang und Sonnenuntergang vorhersagt, so dass sie Sonnenlicht und Kohlendioxid optimal ernten können. Die Uhr gibt den Rhythmus vor; Pflanzen wissen, dass sie ein oder zwei Stunden vor Sonnenaufgang ihre Blätter aufrichten und eine Reihe von Genen aktivieren müssen, damit sie beginnen können, das Licht der ersten Sonnenstrahlen zu nutzen. Am Ende des Tages schalten die Pflanzen ihre Lichtsammelmaschinen ein oder zwei Stunden vor Sonnenuntergang ab, so dass kein Aufwand für den Betrieb der Nahrungsmittelfabrik verschwendet wird, wenn kein Licht vorhanden ist. Schließlich lassen sie gegen Abend ihre Blätter hängen, als ob sie bereit wären, schlafen zu gehen.
Auch Pflanzen haben einen Tagesrhythmus, der ihnen vorschreibt, wann sie blühen sollen, entweder nach Jahreszeit oder zu bestimmten Tages- oder Nachtzeiten. Dieser Pflanzenrhythmus ist mit dem Rhythmus der bestäubenden Bienen und Insekten synchronisiert, die sich von den Blüten der Pflanzen ernähren. Große Pflanzenfresser, wie Kühe oder Kamele, grasen tagsüber an den Pflanzen, und kleine Nagetiere ernähren sich nachts von Obst und Gemüse, um ihren Fressfeinden zu entgehen.
Mit anderen Worten: Sie nutzen ihre zirkadiane Uhr, um aufzuwachen, aktiv zu sein und zu fressen, wenn es am sichersten ist. Sogar der Brotschimmelpilz Neurospora, der auf anderen Nahrungsmitteln wächst, hat eine Uhr, die ihn anweist, in einem täglichen 24-Stunden-Rhythmus zu wachsen und mehr Sporen zu bilden. Seine Sporenbildung ist auf die entsprechende Tageszeit abgestimmt, die eine optimale Sporenausbreitung durch den Wind fördert.
Wir lernten aus der Forschung, dass die zirkadianen Rhythmen zwar vom Licht beeinflusst werden, das Timing, dem sie folgen, aber intern, von den Genen, gesteuert wird.
Die Genetik der zirkadianen Uhr
Der menschliche Körper besteht aus Millionen von Zellen, die je nach Standort spezialisiert sind: Es gibt Zellen, aus denen jedes Körperteil besteht, von den Zehen bis zum Gehirn. Doch jede dieser Millionen spezialisierter Zellen enthält dasselbe Genom, d.h. alle unsere Erbinformationen, die wir von unseren Eltern erhalten haben. Diese Information ist als unsere DNA verschlüsselt, und die einzelnen Abschnitte, die diese genetische Information tragen, werden Gene genannt. Einige Gene entsprechen sichtbaren Merkmalen, wie zum Beispiel der Augenfarbe. Andere stehen im Zusammenhang mit biologischen Merkmalen, wie der Blutgruppe, dem Risiko für bestimmte Krankheiten sowie den Tausenden von biochemischen Prozessen, einschließlich unserer zirkadianen Uhr.
Diese Prozesse werden dann von verschiedenen Arten von Proteinen ausgeführt. Einige Proteine sind Enzyme, die wie Bauwerkzeuge arbeiten (Bohrer, Hammer, Meißel usw.). In jeder Zelle erfüllen Enzyme viele Aufgaben, wie z. B. die Herstellung von Cholesterin und die Aufspaltung von Fett. Andere Proteine sind strukturell; sie sind die Bausteine der Zellen, wie die Teile Ihres Hauses (Wände, Türen, etc.). Einige winzige Proteine sind eigentlich Hormone (obwohl nicht alle Hormone kleine Proteine sind), chemische Botenstoffe, die Organfunktionen steuern. Einige Proteine halten sich lange, während andere kurzlebig sind.
Die Gesundheit unserer Organe und ob wir eine bestimmte Krankheit haben, hängt davon ab, welche Gene wir haben und wie sie ausgedrückt werden: ob ein bestimmtes Gen ein- oder ausgeschaltet ist, oder ob es sich um ein normales Gen oder eine Mutation handelt. Ist Ihnen zum Beispiel schon einmal aufgefallen, dass manche Menschen essen können, was sie wollen, während andere darüber klagen, dass bestimmte Lebensmittel, oft Milchprodukte, Verdauungsbeschwerden verursachen, die sich in Blähungen, Völlegefühl oder Verstopfung äußern. Diejenigen, die darunter leiden, haben tatsächlich eine Mutation in dem Gen, das bei der Aufspaltung und Aufnahme der Nährstoffe aus der Milch hilft.
Indem wir mutierte Gene mit normalen vergleichen, können wir viel darüber lernen, wie Gene eigentlich funktionieren sollten und welche Konsequenzen eine Abnormalität hat. Auf dem Gebiet der zirkadianen Uhr konnten Wissenschaftler erstmals verstehen, wie unsere Uhr funktioniert, indem sie nach mutierten Organismen suchten, deren Uhren entweder zu langsam oder zu schnell liefen. Im Jahr 1971 nahmen der Fruchtfliegengenetiker Professor Seymour Benzer vom California Institute of Technology und sein Doktorand Ron Konopka Tausende von Fruchtfliegen und untersuchten sie isoliert in konstanter Dunkelheit. Junge Fliegen sind normalerweise in der Morgen- und Abenddämmerung aktiv, machen tagsüber eine Siesta und schlafen nachts. Die Fruchtfliegen behalten diese ungefähren 24-Stunden-Rhythmen auch unter ständiger Dunkelheit bei.
Benzer und Konopka bauten einige wirklich geniale Geräte, um zu überwachen, wann die Baby-Fruchtfliegen schlafen gingen und aufwachten, selbst bei völliger Dunkelheit. Nachdem sie Tausende von Fruchtfliegen gescreent hatten, fanden sie drei Arten von Mutanten: Fliegen, die früh, spät oder in keinem bestimmten Muster einschliefen. Sie fanden auch heraus, dass die Nachkommen der mutierten Fruchtfliegen die gleichen abnormalen zirkadianen Uhren vererbten oder beibehielten: Das war die genetische Komponente. Die gleiche Mutation veränderte auch den Zeitpunkt des Schlüpfens der Fruchtfliegen, was darauf hindeutet, dass Fruchtfliegen nur eine Uhr haben.
Benzer und Konopka nannten dies das Period-Gen oder kurz Per-Gen.
Der Prozess der wissenschaftlichen Untersuchung ist ähnlich wie das Lösen eines Verbrechens. Aus ein paar Hinweisen kann man das Profil eines Verbrechers erstellen, aber es kann Monate oder Jahre dauern, bis man den Monate oder Jahre dauern, um den Verdächtigen zu finden und das Verbrechen zu beweisen.
Es dauerte fast 13 Jahre und zwei unabhängige Gruppen von Wissenschaftlern, um herauszufinden, wie das Per-Gen in Fruchtfliegen tatsächlich aussieht. Es dauerte ein paar weitere Jahre, um herauszufinden, wie das Gen eine Uhr erzeugt.
Jetzt wissen wir, dass das Per-Gen in jeder Zelle die Anweisung gibt, ein Protein zu bilden, das sich langsam aufbaut und dann alle 24 Stunden wieder abbaut. Dies gilt für jeden Organismus: Es gibt drei Gene, die die Uhr im Teichschaum steuern, und mehr als ein Dutzend in Tieren und Menschen. Über einen 24 Stunden Rhythmus produziert diesen Gen körpereigene Stoffe, die uns am Abend signalisieren, dass es Zeit wird zu schlafen.
Man kann es sich so vorstellen, dass früh am Morgen ein leerer Eimer da steht, der bis zum Abend mit Wasser gefühlt werden muss. Tagsüber wird immer mehr Wasser in den Eimer lassen und am Abend ist es so voll, dass dieser gelehrt werden muss. Das ist dann quasi das Signal für uns zu schlafen. Eigentlich ein recht einfaches System.
